Structureel ontwerp en eindige-elementenanalyse van de werkende cilinder van een grote smeedpers

1. Inleiding

De werkende cilinder is een belangrijke actuator van de hydraulische machine.Het zet de drukenergie van de vloeistof om in mechanische energie.Het is verdeeld in plunjertype, zuigertype, schommelingstype en telescopisch type volgens soort structuur.De werkende cilinder van het smeedstuk 200MN hydraulische pers neemt een plunjertype aan, dat een eenvoudige structuur heeft en gemakkelijk te vervaardigen is.Het is een structurele vorm die vaak wordt gebruikt in grote hydraulische machines.De traditionele ontwerptheorie van hydraulische pers is de belangrijkste basis voor het structurele ontwerp van de werkcilinder.

ABAQUS is bedreven in het oplossen van complexe problemen en heeft wereldwijd toonaangevende software voor eindige-elementenanalyse ontwikkeld.Het wordt veel gebruikt in machines, militaire, chemische, automobiel- en andere industriële gebieden.ABAQUS gebruiken om numeriek simuleer de hydraulische cilinder, de spanningsverdeling van de werkcilinder kan nauwkeurig worden bepaald en de rationaliteit van het structurele ontwerp kan worden geanalyseerd.

2. Constructief ontwerp van de werkcilinder

Om energie te besparen, vooral om het stroomverbruik te verminderen, gebruikt de 200MN hydraulische smeedpers zes werkcilinders in drie rijen.De 6 werkende cilinders kunnen tegelijkertijd 200 MN druk genereren, en de 4 kleine werkcilinders aan beide zijden kunnen 80 MN druk genereren, en de middelste 2 grote werkcilinders kunnen 120 MN druk genereren.De werkende cilinders met verschillende bewegingen kunnen 3 drukniveaus genereren, en verschillend smeedstukken kunnen worden geproduceerd om het overeenkomstige drukniveau te selecteren, wat de kosten aanzienlijk bespaart.De structuur van het lichaam en de lay-out van de werkende cilinder worden getoond in Afbeelding 1 en Afbeelding 2.

Om de levensduur van de werkende cilinder te verbeteren, gebruikt het ontwerp direct de bout om het cilinderblok op de bovenbalk te bevestigen, dat wil zeggen dat de onderste steun wordt gebruikt.Dit verbetert niet alleen de stijfheid en sterkte van de bovenbalk, maar vermindert ook de cilinderwandspanning van de werkende cilinder.

De enkele kogelscharnierverbinding is geschikt voor de schuif en de vier kleine cilinderplunjers aan de zijkant, en de dubbele kogelscharnierverbinding is de beste verbindingsmethode voor de schuif en de middelste twee hoofdcilinderplunjers, zoals weergegeven in afbeelding 3a, b.

Wanneer de werkdruk van de werkcilinder hoger is dan 20 MPa, is smeden van koolstofstaal de belangrijkste productiemodus van de werkcilinder.De werkende cilinder van 200MN smeden hydraulische pers werkt onder de hoge druk van 31.5MPa, en de structuur is groot, het is moeilijk om integraal te smeden.Daarom is het gesmeed door lassen van 35 staal, en het is genormaliseerd en getemperd, en de vloeigrens is 240 MPa.

De plunjer beweegt heen en weer in de cilinder en heeft een grote invloed op de slijtage van de geleidehuls en de afdichting, dus het plunjeroppervlak moet voldoende hardheid en een goede oppervlakteafwerking hebben.Om aan deze eis te voldoen, is de plunjer is over het algemeen gemaakt van gesmeed koolstofstaal met een hoog koolstofgehalte en wordt na bewerking onderworpen aan een oppervlakteversterkende behandeling.De plunjer van de hydraulische machine is gesmeed uit 45 staal.

De nominale werkdruk van de tussenliggende werkcilinder is 120MN en de ontwerpberekening van de structurele parameters is als volgt:

Volgens de nominale totale druk F(N) die de hydraulische cilinder moet produceren en de geselecteerde vloeistofwerkdruk P (MPa), wordt de plunjerdiameter D bepaald door de volgende formule:

Uit formule (1) wordt D = 1557,7 mm berekend en na afronding wordt D = 1560 mm genomen en wordt de binnendiameter D1 van de hydraulische cilinder verbonden met de plunjer.

Het is gerelateerd aan de opening At van de binnenwand van de cilinder, en het verdient de voorkeur om 15 mm te nemen volgens de ervaring At.

Volgens de bovenstaande formule (2) wordt de binnendiameter Dl van de hydraulische cilinder bepaald op 1590 mm.Volgens de empirische formule is de buitendiameter van de hydraulische cilinder D2:

[σ] neem 120MPa, volgens de bovenstaande formule (2), vind de buitendiameter D2 van de hydraulische cilinder 2153 mm, en volgens de formule:

r1———Cilinder binnenradius (mm)

r2———Externe straal van hydraulische cilinder (mm)

Berekend door vergelijking (4), r2≥1076.5mm, neem D2=2*r2 = 2250mm.

Dikte cilinderbodem: t=(1.5~2)*(r2-r1) (5)

De nominale druk van de vier werkende cilinders aan de zijkant is 80 MPa.Evenzo kunnen de structurele parameters van de zijwerkcilinder voorlopig als volgt worden verkregen:

Plunjerdiameter D = 900 mm, Δt = 10 mm, hydraulische cilinder binnendiameter D1 = 920 mm, buitendiameter D2 = 1360 mm, cilinderbodemdikte t = 300 mm.

3. Numerieke simulatie en resultaatanalyse van werkende cilinder

Momenteel gebruiken de meeste hydraulische cilinders het empirische algoritme van elastische mechanica.Volgens de basisontwerpparameters worden de basisontwerpparameters bepaald met verwijzing naar relevante gegevens en vervolgens de sterkte controle wordt uitgevoerd volgens het vereenvoudigde mechanische model.Vanwege de complexe structuur van de hydraulische cilinder is het echter moeilijk om nauwkeurige mechanische en wiskundige modellen vast te stellen, vooral in de spanning concentratie zone.Met behulp van de eindige-elementenmethode om de hydraulische cilinder te berekenen, kan de spanningsverdeling van de hydraulische cilinder nauwkeurig worden bepaald en vervolgens wordt de structurele ontwerprationaliteit geanalyseerd.De belangrijkste afmetingen van de werkcilinder worden weergegeven in afbeelding 4.

3.1 Vaststelling van het eindige-elementenmodel

3.1.1 Structuurmodel en eenheidsindeling

Om de berekening van de werkende cilinder dichter bij de daadwerkelijke werkende voorwaarde te maken, worden de zes werkende cilinders geassembleerd met de bovenbalk volgens de daadwerkelijke voorwaarden.Gezien het feit dat de vervorming van de onderbalk heeft weinig invloed op de werkcilinder, het kolommodel wordt tot de helft van de hoogte onderschept.

Het werkcilinderroostertype wordt geselecteerd als de tetraëdrische eenheid C3D4, en de details van de cilinderbodemfilet, de olie-inlaat en het schroefdraadgat zijn mazen en onderverdeeld.De vier zijcilinders zijn verdeeld in 940.000 eenheden, en de middelste 2 De hoofdcilinders zijn verdeeld in 1,2 miljoen eenheden.

3.1.2 Randvoorwaarden

(1) Een uniforme druk van 31,5 MPa wordt uitgeoefend op het binnenwandoppervlak van de werkcilinder en de vloeistofdruk wordt verdeeld onder de binnenwand van de werkcilinder.

(2) De wrijvingscoëfficiënt μ is ingesteld op 0,1 en het contacttype is geselecteerd als een standaard oppervlakte-oppervlakcontact.

(3) Stel de materiaaleigenschappen van de werkcilinder in: Poisson-verhouding λ is 0,3 en elastische modulus E is 206.000 MPa.

(4) De hendel van het bovenste balkblok is vooraf vastgedraaid: φ200 mm (10 stuks), de enkele voorspankracht is ingesteld op 4000 kN en de voorspanmodus neemt boutbelasting aan.

(5) Voorspannen van de kolomstang: de voorspankracht moet matig zijn en de voorspankracht zal de trekstang vernietigen;integendeel, het contactgedeelte van de balk en de kolom zal worden geopend vanwege de pre-aanhaalkracht te klein.De totale voorbelasting wordt genomen als 1,4 keer de nominale druk, 280MN is meer geschikt.Onder hen is de enkele voorbelasting van 10 dissels van φ400 mm ingesteld op 17500 kN;de enkele voorspanning van 12 dissels van φ320 mm is ingesteld op 11200 kN;de voorbelastingsmethode gebruikt boutbelasting.

(6) De randvoorwaarde van het massieve gedeelte wordt toegepast op het middelste gedeelte van de kolom.

Het numerieke model wordt getoond in afbeelding 5:

3.2 Simulatieresultaten en analyse

Na de berekening van het numerieke model van de werkcilinder wordt de equivalente spanningswolk van de werkcilinder waargenomen en geanalyseerd.

3.2.1 Simulatieresultaten en analyse van tussenliggende hoofdwerkcilinder

De hoofdwerkcilinder wordt opengesneden om de interne en externe spanningsverdeling van de werkcilinder te observeren.Het equivalente spanningswolkdiagram van de tussenliggende hoofdwerkcilinder wordt getoond in Afbeelding 6:

De analyse van de equivalente spanningsverdelingswolk van de hoofdwerkcilinder levert de volgende resultaten op:

(1) De gemiddelde waarde van de equivalente spanningsverdeling nabij de binnenste vulopening van de werkcilinder is het hoogst, tussen 105 en 120 MPa.Het hoogste punt van de equivalente spanning is 119MP, en de positie is op de binnenwand van de werkcilinder nabij het onderste deel van de vloeistofvulopening.

(2) De equivalente spanningswaarde van de binnenwand van het dikwandige cilindrische deel van de werkcilinder is relatief hoog en de equivalente spanningsverdeling is relatief uniform tussen 95 en 115 MPa.

(3) De equivalente spanningswaarde aan de onderkant van de werkcilinder is relatief laag, tussen 68 en 85 MPa.

(4) De buitenwand van het dikwandige cilindrische deel van de werkcilinder heeft de laagste equivalente spanningswaarde en de maximale equivalente spanningswaarde is slechts 60 MP.

De numerieke resultaten laten zien dat de maximale equivalente spanning van de hoofdwerkcilinder optreedt nabij de vloeistofvulopening van de binnenwand, de waarde is 119MP en het werkcilindercilindermateriaal 35 staal heeft een opbrengst sterkte van 240MPa na warmtebehandeling, en de veiligheidsfactor is groter dan 2. Verder kan worden bewezen dat de sterkte van de hoofdwerkcilinder voldoet aan de ontwerpvereisten.

3.2.2 Simulatieresultaten zijwerkcilinder

Afbeelding 7 toont de equivalente spanningswolk van de zijcilinder.

De analyse van de equivalente spanningsverdelingswolk van de zijwerkcilinder wordt uitgevoerd en de volgende resultaten worden verkregen:

(1) De maximale equivalente spanning wordt gegenereerd in de buurt van de vloeistofvulopening en de equivalente spanningswaarde is 129,5 MPa.

(2) De equivalente spanningsverdeling van het dikwandige cilindrische deel van de binnenwand van de cilinder is relatief uniform, en de equivalente spanningswaarde is hoger, en de equivalente spanningswaarde is 85~110MPa.

(3) De binnenwand van de zijwerkende cilinder en het buitenoppervlak van de cilinder hebben een uniforme spanningsverdeling en de equivalente spanning is laag en de equivalente spanningswaarde is meestal lager dan 75 MPa.

Het zijwerkcilindermateriaal is gemaakt van 35 staal.Na warmtebehandeling is de vloeigrens 240MPa.De numerieke berekeningsresultaten laten zien dat de maximale equivalente spanning van de zijwerkende cilinder 130 MPa is, en de veiligheid factor wordt berekend op 1,85.Daarom voldoet de sterkte van de zijwerkcilinder aan de ontwerpvereisten.

4. Conclusie

In dit artikel wordt de traditionele ontwerptheorie van de hydraulische pers gebruikt om de werkcilinder van de 200 MN smeden hydraulische pers te berekenen door middel van formuleberekening.Vervolgens wordt de eindige-elementenanalysesoftware ABAQUS gebruikt om de werkende cilinderconstructie in drie dimensies, en wordt gebruikt voor de berekening van statische eindige elementensimulaties.Door de analyse van de equivalente spanning van de simulatieresultaten van de werkcilinder, wordt de sterkte van de werking bepaald cilinder voldoet aan de ontwerpvereisten, wat verder bewijst dat het berekeningsresultaat van de traditionele formule correct en haalbaar is in de ontwerpspecificatie van de hydraulische cilinder.